📄Работа №53039
Тема: ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ЗАХВАТА ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ И МАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ
Характеристики работы
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
Информационные системы
Объем:
83 листов
Год:
2016
Просмотров:
469
4900
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА.. 6
1.1 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 6
1.1.1 НАБЛЮДАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 7
1.1.2 ФИЛЬТР КАЛМАНА 9
1.1.3 РАСШИРЕННЫЙ ФИЛЬТР КАЛМАНА 12
1.2 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА 13
1.2.1 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ 13
1.2.2 МАТРИЦА НАПРАВЛЯЮЩИХ КОСИНУСОВ 15
1.2.3 УГЛЫ ЭЙЛЕРА 16
1.2.4 КВАТЕРНИОНЫ 18
1.3 ДАТЧИКИ 21
1.3.1 АКСЕЛЕРОМЕТР 21
1.3.2 ГИРОСКОП 24
1.3.3 МАГНИТОМЕТР 28
1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ПО ДАТЧИКАМ 32
1.4.1 ОРИЕНТАЦИЯ ПО ГИРОСКОПУ 32
1.4.2 ОРИЕНТАЦИЯ ИЗ ВЕКТОРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 33
1.5 АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ПАРМАТЕРОВ ОРИЕНТАЦИИ 34
1.5.1 СТАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 34
1.5.2 ДИНАМИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 36
1.6 МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 41
1.7 ВАРИАЦИЯ АЛЛАНА 41
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
2.1 АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ 44
2.1.1 СЕНСОРЫ 44
2.1.2 СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ 47
2.1.3 ТЕСТОВЫЙ СТЕНД 49
2.2 ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА 50
2.2.1 РЕАЛИЗАЦИЯ ФИЛЬТРА КАЛМАНА 51
3 КАЛИБРОВКА 57
3.1 КАЛИБРОВКА АКСЕЛЕРОМЕТРА 57
3.2 КАЛИБРОВКА ГИРОСКОПА 60
3.3 КАЛИБРОВКА МАГНИТОМЕТРА 62
4 ТЕСТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 66
4.1 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ 66
4.2 ЗАХВАТ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ A 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 78
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА.. 6
1.1 ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 6
1.1.1 НАБЛЮДАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 7
1.1.2 ФИЛЬТР КАЛМАНА 9
1.1.3 РАСШИРЕННЫЙ ФИЛЬТР КАЛМАНА 12
1.2 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА 13
1.2.1 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ 13
1.2.2 МАТРИЦА НАПРАВЛЯЮЩИХ КОСИНУСОВ 15
1.2.3 УГЛЫ ЭЙЛЕРА 16
1.2.4 КВАТЕРНИОНЫ 18
1.3 ДАТЧИКИ 21
1.3.1 АКСЕЛЕРОМЕТР 21
1.3.2 ГИРОСКОП 24
1.3.3 МАГНИТОМЕТР 28
1.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ПО ДАТЧИКАМ 32
1.4.1 ОРИЕНТАЦИЯ ПО ГИРОСКОПУ 32
1.4.2 ОРИЕНТАЦИЯ ИЗ ВЕКТОРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 33
1.5 АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ПАРМАТЕРОВ ОРИЕНТАЦИИ 34
1.5.1 СТАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 34
1.5.2 ДИНАМИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ 36
1.6 МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 41
1.7 ВАРИАЦИЯ АЛЛАНА 41
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
2.1 АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ 44
2.1.1 СЕНСОРЫ 44
2.1.2 СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ 47
2.1.3 ТЕСТОВЫЙ СТЕНД 49
2.2 ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ КОМПЛЕКСА 50
2.2.1 РЕАЛИЗАЦИЯ ФИЛЬТРА КАЛМАНА 51
3 КАЛИБРОВКА 57
3.1 КАЛИБРОВКА АКСЕЛЕРОМЕТРА 57
3.2 КАЛИБРОВКА ГИРОСКОПА 60
3.3 КАЛИБРОВКА МАГНИТОМЕТРА 62
4 ТЕСТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 66
4.1 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ 66
4.2 ЗАХВАТ ДВИЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 75
ПРИЛОЖЕНИЕ A 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 78
📖 Введение
В настоящее время задача определения пространственного положения частей тела человека является актуальной. Системы захвата движения находят применение в таких областях как робототехника, создание интерфейсов человек-машина, в кино индустрии и системах виртуальной реальности. Также стоит отметить важность данных систем в медицине для исследования динамики человека и создания более совершенных протезов.
Существуют различные виды систем захвата движения: механические, оптические, активные магнитные и инерциально-магнитные. Комплексы на основе инерциальных и магнитных датчиков являются относительно новыми и с применением микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков обретают огромную популярность. В отличие от других они не нуждаются в искусственных источниках и не имеют ограничений по дальности работы, обладают малыми габаритами и легкостью в использовании.
Принцип работы инерциальных систем основан на интегрировании угловых скоростей - показаний гироскопа. Однако из-за шумов и нестабильности смещения нуля при интегрировании происходит накопление ошибки. Поэтому возникает необходимость использовать дополнительные датчики такие как акселерометры и магнитометры. Задача объединения показаний трех датчиков и формирования оптимальной оценки положения объекта в пространстве успешно решается применением фильтра Калмана.
Целью данной работы является построение программно-аппаратного комплекса захвата движения человека с использованием МЭМС гироскопа, акселерометра и магнитометра.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
• Разработка системы сбора данных с датчиков на базе микроконтроллера.
• Проведение процедуры калибровки датчиков
Разработка и реализация фильтра Калмана в программном пакете MATLAB/Simulink
• Построение тестового стенда и проведение на нем экспериментов по оценке параметров полученной системы
• Реализация в MATLAB/Simulink модуля 3D визуализации данных о движении человека
Данная работа состоит из введения, четырех разделов основной части, заключения, приложения и списка литературы.
В первом разделе изложены теоретические и технические основы, необходимые для определения пространственного положения объекта.
Во втором разделе подробно описана программно-аппаратная реализация разработанной системы с необходимыми иллюстрациями и таблицами.
Третий раздел посвящен такой важной задаче как калибровка датчиков. Дана информация о методологии и особенностях калибровки применяемых датчиков.
В последнем разделе работы подробно описана процедура и результаты тестирования системы. Определены точностные характеристики и эффективность при натурных испытаниях захвата движения руки человека.
Существуют различные виды систем захвата движения: механические, оптические, активные магнитные и инерциально-магнитные. Комплексы на основе инерциальных и магнитных датчиков являются относительно новыми и с применением микроэлектромеханических (МЭМС) датчиков обретают огромную популярность. В отличие от других они не нуждаются в искусственных источниках и не имеют ограничений по дальности работы, обладают малыми габаритами и легкостью в использовании.
Принцип работы инерциальных систем основан на интегрировании угловых скоростей - показаний гироскопа. Однако из-за шумов и нестабильности смещения нуля при интегрировании происходит накопление ошибки. Поэтому возникает необходимость использовать дополнительные датчики такие как акселерометры и магнитометры. Задача объединения показаний трех датчиков и формирования оптимальной оценки положения объекта в пространстве успешно решается применением фильтра Калмана.
Целью данной работы является построение программно-аппаратного комплекса захвата движения человека с использованием МЭМС гироскопа, акселерометра и магнитометра.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
• Разработка системы сбора данных с датчиков на базе микроконтроллера.
• Проведение процедуры калибровки датчиков
Разработка и реализация фильтра Калмана в программном пакете MATLAB/Simulink
• Построение тестового стенда и проведение на нем экспериментов по оценке параметров полученной системы
• Реализация в MATLAB/Simulink модуля 3D визуализации данных о движении человека
Данная работа состоит из введения, четырех разделов основной части, заключения, приложения и списка литературы.
В первом разделе изложены теоретические и технические основы, необходимые для определения пространственного положения объекта.
Во втором разделе подробно описана программно-аппаратная реализация разработанной системы с необходимыми иллюстрациями и таблицами.
Третий раздел посвящен такой важной задаче как калибровка датчиков. Дана информация о методологии и особенностях калибровки применяемых датчиков.
В последнем разделе работы подробно описана процедура и результаты тестирования системы. Определены точностные характеристики и эффективность при натурных испытаниях захвата движения руки человека.
✅ Заключение
В ходе данной работы был построен программно-аппаратный комплекс захвата движения человека на основе МЭМС гироскопа, акселерометра и магнитометра. Исследованы методы и алгоритмы оптимальной обработки показаний датчиков для определения ориентации объекта. Разработан и реализован в MATLAB расширенный фильтр Калмана на основе кватернионов. Подробно описана и проведена процедура калибровки датчиков. Построен тестовый стенд и на нем определены точностные характеристики разработанной системы. В MATLAB/Simulink реализован модуль 3D визуализации данных о движении человека.
В результате работы показано, что разработанный фильтр Калмана успешно борется с таким источником ошибок как нестабильность нуля гироскопа и позволяет улучшить точность определения угла на длительных промежутках времени:
• в 16 раз по оси Х
• в 18 раз по оси Y
• в 1,8 раза по оси Z
Результирующая точность определения углов, найденная в ходе проведенных экспериментов на тестовом стенде, равняется:
• ось Х - ± 2°
• ось Y - ± 2°
• ось Z - ± 6°
Проведены натурные эксперименты по захвату движения руки человека с визуализацией 3D модели в режиме реального времени. Данные эксперименты показали практическую применимость разработанного программно-аппаратного комплекса.
В результате работы показано, что разработанный фильтр Калмана успешно борется с таким источником ошибок как нестабильность нуля гироскопа и позволяет улучшить точность определения угла на длительных промежутках времени:
• в 16 раз по оси Х
• в 18 раз по оси Y
• в 1,8 раза по оси Z
Результирующая точность определения углов, найденная в ходе проведенных экспериментов на тестовом стенде, равняется:
• ось Х - ± 2°
• ось Y - ± 2°
• ось Z - ± 6°
Проведены натурные эксперименты по захвату движения руки человека с визуализацией 3D модели в режиме реального времени. Данные эксперименты показали практическую применимость разработанного программно-аппаратного комплекса.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.